Separação de hidrocarbonetos do carvão ativado como substância porosa em um processo de regeneração de glicol utilizando dióxido de carbono supercrítico

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 19910 (2022) Citar este artigo

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Uma correção do editor para este artigo foi publicada em 14 de dezembro de 2022

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Os carvões ativados são utilizados em aplicações industriais; o seu custo é uma grande barreira à sua aplicação mais generalizada. A regeneração de carvões ativados é indispensável para minimizar custos operacionais e desperdício de produto. Dióxido de carbono supercrítico (SC-CO2) como tecnologia verde foi usado para regenerar carvões ativados. Neste trabalho, a metodologia de superfície de resposta foi empregada para otimizar o processo de regeneração supercrítica e avaliar o efeito dos parâmetros operacionais, incluindo pressão (100–300 bar), temperatura (313–333 K), vazão (2–6 g/min ) e tempo dinâmico (30–150 min) no rendimento de regeneração. O rendimento máximo de regeneração (93,71%) foi alcançado a 285 bar, 333 K, 4 g/min e 147 min. A modelagem matemática foi feita utilizando dois modelos cinéticos de um parâmetro, que concordam bem com os dados experimentais. O parâmetro de ajuste do modelo foi obtido utilizando um algoritmo de evolução diferencial. A composição química das substâncias extraídas do carvão ativado foi identificada por cromatografia gasosa. Os resultados mostraram que a regeneração do carvão ativado por SC-CO2 pode ser um método alternativo aos métodos convencionais.

O carvão ativado tem sido reconhecido como um dos adsorventes amplamente aplicados para revestimento por pulverização1, processamento de alimentos2, biomassa3, produtos farmacêuticos4, produtos químicos5, tratamento de águas residuais6, petróleo7 e indústrias nucleares8, bem como o tratamento com glicol para remoção de compostos orgânicos e orgânicos voláteis (VOCs). poluentes nas indústrias de gás natural9. O carvão ativado é utilizado em sistemas de adoçante e desidratação de gás natural com fluidos como aminas e glicóis10,11. As técnicas convencionais para a regeneração do carvão ativado incluem volatilização térmica12, extração química13, ultrassom14, micro-ondas15, eletroquímica16 e biorregeneração. Estes métodos apresentam diversas desvantagens como perda de carbono, danos à sua estrutura porosa, tratamento dos gases de exaustão, regenerações químicas utilizando solventes não são necessariamente aceitáveis ​​porque separação adicional e problemas ambientais e a bio-regeneração requer longo tempo de reação para regeneração. Recentemente, os fluidos supercríticos (SCFs) têm atraído ampla atenção em muitos campos e a regeneração de carvão ativado como uma das aplicações desta tecnologia tem sido estudada . As características únicas dos SCFs tornaram estes solventes atraentes. Particularmente, a densidade do solvente e, portanto, as suas propriedades dissolventes, podem ser controladas modificando a pressão e a temperatura. Além disso, a densidade do líquido e a viscosidade do gás, aliadas a coeficientes de difusão pelo menos uma ordem de grandeza superiores aos dos líquidos, contribuem para o aprimoramento dos processos de transferência de massa . Entre as diferentes substâncias, o dióxido de carbono é a melhor escolha, pois é um solvente amigo do ambiente, proporcionando vantagens como não toxicidade e elevada estabilidade química.

A regeneração de carvão ativado utilizando SCFs tem sido estudada por diversos pesquisadores. DeFilippi et al. observaram que a regeneração supercrítica foi econômica mesmo que a temperatura e pressão de operação estivessem acima de 387 K e 150 atm, respectivamente. Eles propuseram um modelo de equilíbrio local (isoterma de Freundlich) que se ajustava bem aos dados experimentais24. A regeneração de carvão ativado carregado com fenol utilizando dióxido de carbono supercrítico foi estudada por Kander e Paulaitis25. Eles descobriram que o dióxido de carbono supercrítico não oferecia vantagens significativas para a regeneração do carbono carregado com fenol. No entanto, eles sugeriram que para compostos orgânicos que não são fortemente adsorvidos em carvão ativado, o dióxido de carbono supercrítico seria um adsorvente poderoso. Tan e Liou investigaram a dessorção por dióxido de carbono supercrítico de carvão ativado carregado com acetato de etila ou tolueno. Eles apresentaram que este método de regeneração daria melhores resultados do que o método de regeneração a vapor e, consequentemente, apresentaram um modelo de cinética de dessorção linear que se mostrou bastante adequado aos dados experimentais .